規(guī)則波浪中的船舶操縱性數(shù)值預(yù)報(bào)研究.pdf

1、在船舶工程中，操縱性研究通常都是針對船舶在靜水中運(yùn)動(dòng)的情況。然而，實(shí)際船舶在航行過程中不可避免地要受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境干擾力的影響。特別是波浪的作用，不但會(huì)誘導(dǎo)船舶的六自由度搖蕩運(yùn)動(dòng)，而且會(huì)使船舶的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生明顯的變化，這兩方面的影響可能使得船舶在波浪中的操縱性與靜水中有很大的不同。從航行安全的角度來看，加強(qiáng)對波浪中的船舶操縱性研究是十分重要的。
　　本文對船舶在規(guī)則波浪中的操縱性展開數(shù)值預(yù)報(bào)研究。文中給出了一種描述規(guī)則波浪中船

2、舶操縱運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型?？紤]到在規(guī)則波中進(jìn)行操縱運(yùn)動(dòng)的船舶同時(shí)具有波浪誘導(dǎo)的六自由度搖蕩運(yùn)動(dòng)，在數(shù)學(xué)模型中將總的船舶運(yùn)動(dòng)分解為低頻操縱運(yùn)動(dòng)和高頻波浪誘導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)兩部分。低頻運(yùn)動(dòng)采用計(jì)及波浪漂移力和力矩的MMG操縱運(yùn)動(dòng)模型描述，高頻運(yùn)動(dòng)則用一組獨(dú)立的六自由度搖蕩運(yùn)動(dòng)方程來描述。由于兩種運(yùn)動(dòng)的頻率存在明顯差異，在低頻和高頻運(yùn)動(dòng)方程的求解過程中使用兩種不同的時(shí)間尺度。
　　操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型中的高頻水動(dòng)力及波浪漂移力通過勢流理論計(jì)算。為此，將

3、傳統(tǒng)的耐波性線性邊值問題進(jìn)行拓展，使之適應(yīng)船舶具有橫向速度和轉(zhuǎn)首角速度的情況。基于一種時(shí)域Rankine源方法對速度勢邊值問題進(jìn)行求解。該方法采用二次B樣條基函數(shù)對流場邊界上的未知數(shù)進(jìn)行空間離散；同時(shí)，分別使用顯式和隱式的歐拉格式對線性的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)自由面邊界條件進(jìn)行時(shí)間離散。通過離散積分方程、離散的自由面運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)邊界條件以及時(shí)域運(yùn)動(dòng)方程的循環(huán)求解，以完成船舶高頻運(yùn)動(dòng)的時(shí)域分析。以Wigley I船型和S-175集裝箱船為對象，

4、對時(shí)域Rankine源方法進(jìn)行了驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果的比較表明，本方法能夠?qū)Σ煌讼蛳麓暗牧杂啥葥u蕩運(yùn)動(dòng)作出較為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。
　　在時(shí)域求解速度勢的基礎(chǔ)上，本文采用近場積分的方法，對船舶在波浪中航行時(shí)受到的二階波浪力和力矩進(jìn)行計(jì)算。以迎浪航行的Wigley I船型及迎浪和橫浪航行的S-175集裝箱船為算例，通過將計(jì)算得到的二階波浪漂移力和力矩與相關(guān)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，證明了本文方法的正確性。
　　為了確定操縱運(yùn)動(dòng)

5、數(shù)學(xué)模型中的低頻水動(dòng)力，本文基于靜水中的MMG操縱運(yùn)動(dòng)模型，對船體、螺旋槳和舵上的水動(dòng)力分別進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。通過使用小展弦比機(jī)翼理論，對斜航和定?；剞D(zhuǎn)狀態(tài)下船體上的受到的操縱水動(dòng)力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算；并且將數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明小展弦比機(jī)翼理論在大漂角下不能給出足夠精確的水動(dòng)力預(yù)報(bào)。因此，在隨后的操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬中使用了文獻(xiàn)中由PMM試驗(yàn)得到的水動(dòng)力導(dǎo)數(shù)以及船-槳-舵干擾系數(shù)數(shù)據(jù)。
　　以S-175集裝箱船為

6、對象進(jìn)行了操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬。首先對該船在靜水中的回轉(zhuǎn)和 Z形操縱進(jìn)行了數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的吻合程度良好。此外，對該船在不同方向和波長的規(guī)則波中的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和Z形操縱進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果的對比表明，本文給出的數(shù)學(xué)模型及所采用的數(shù)值方法總體上能夠?qū)Υ霸谝?guī)則波浪中的操縱運(yùn)動(dòng)作出比較合理的預(yù)報(bào)。
　　本文將船舶操縱性和耐波性兩方面的研究結(jié)合起來，打破了兩者在研究內(nèi)容和方法上的界限，為波浪中的船舶操縱性預(yù)